Ngay sau khi nhận được tin báo về vụ nổ nghiêm trọng xảy ra ở sân toà nhà chung cư HH3A, khu đô thị Linh Đàm, phường Hoàng Liệt Công an quận Hoàng Mai đã phối hợp cùng các đơn vị nghiệp vụ Công an TP Hà Nội khẩn trương vào cuộc điều tra, truy bắt đối tượng gây án.
Đến ngày 14/9, Công an quận Hoàng Mai cùng Phòng cảnh sát hình sự Công an TP Hà Nội đã bắt giữ 2 đối tượng gây án là Phạm Hùng Cường (SN 1989, trú tại phường Vĩnh Niệm, quận Lê Chân, TP Hải Phòng) và Hà Huy Thuận (SN 1988, trú tại xã Cảm Ân, huyện Yên Bình, Yên Bái) khi chúng đang lẩn trốn tại Phong Thổ, Lai Châu.
Qua tài liệu điều tra của cơ quan công an xác định từ tháng 9/2018, Phùng Văn Dũng (quê Vĩnh Phúc, trú tại toà nhà HH1A KĐT Linh Đàm), Trần Khánh Duy (cùng quê và ở với Dũng) làm nghề buôn bán thiết bị, phần mềm chơi cờ bạc bịp.
Tháng 2/2019, thông qua mạng xã hội, Hà Huy Thuận có liên lạc với Phùng Văn Dũng mua một máy điện thoại HTC có cài đặt phần mềm để đánh bạc bịp nhưng khi sử dụng để ghi lô đề bị thua.
Sau đó, Thuận liên lạc lại với Dũng để đòi tiền nhưng Dũng không nghe máy. Do đó, Thuận nảy sinh ý định mua kíp nổ chế tạo gửi cho Dũng với mục đích đe dọa đòi lại tiền (bản thân Thuận có kiến thức về chế tạo kíp nổ).
Tháng 3/2019, Thuận lên mạng tìm hiểu và mua 4 kíp nổ với số tiền 200.000 đồng và cất giấu tại nhà.
Do Cường cũng làm nghề buôn bán công cụ đánh bạc bịp nên đối tượng này đã rủ Thuận xuống nhà mình và hỗ trợ bán thiết bị đánh bài bịp.
Khi xuống nhà Cường, Thuận mang theo 4 kíp nổ. Giữa tháng 8/2019, Thuận bàn bạc với Cường sẽ chế tạo kíp nổ đặt vào hộp gửi cho anh Dũng với mục đích đe dọa.
Sau đó, Cường đồng ý và dặn Thuận nếu có làm thì đừng để Dũng bị thương thì Thuận bảo chỉ có kíp nổ thôi, nếu có nổ thì cũng không bị làm sao.
Ngày 5/9, Thuận gọi và nhắn tin vào số điện thoại của Duy nói là sẽ gửi lên Hà Nội một máy điện thoại Sam Sung Note 9 nhờ cài đặt phần mềm sửa nội dung tin nhắn điện thoại.
Chiều ngày 6/9, Cường điều khiển xe ô tô đi đến khu vực đường rẽ lên cao tốc Ninh Bình – Hà Nội thì dừng xe, Thuận xách túi ni lông màu vàng bên trong đựng hộp cát tông gắn kíp nổ rồi đi bộ gửi cho nhà xe Đ.C. (tuyến Kim Sơn - Giáp Bát), đồng thời nhắn tin để Duy liên hệ lấy hàng.
Sáng ngày 7/9/2019, khi nhận được gói hàng do Thuận gửi lên, Trần Khánh Duy cùng Phùng Văn Dũng đến quán nước chè trước cửa ki ốt số 10 HH3A Linh Đàm mở gói hàng thì phát nổ làm Duy, Dũng, và 3 người khác bị thương.
Khoảng 10h ngày 7/9/2019, Cường đọc báo thấy đăng tin vụ nổ ở tòa nhà HH3A Linh Đàm làm bị thương nhiều người nên rủ Thuận trốn lên Phong Thổ, Lai Châu. Đến ngày 14/9, Cường, Thuận bị cơ quan công an phát hiện và bắt giữ.